Lo strano legame tra la mente umana e la fisica quantistica

“Non posso definire il vero problema, quindi sospetto che non ci sia un vero problema, ma non sono sicuro che non ci sia un vero problema“.

Il fisico americano Richard Feynman ha detto questo sui famigerati enigmi e paradossi della meccanica quantistica, la teoria che i fisici usano per descrivere gli oggetti più piccoli dell’Universo. Ma avrebbe anche potuto parlare dell’altrettanto intricato problema della coscienza.

Alcuni scienziati pensano che abbiamo già capito cosa sia la coscienza, o che sia una mera illusione. Ma molti altri sentono che non abbiamo affatto capito da dove provenga la coscienza.

Il perenne enigma della coscienza ha persino portato alcuni ricercatori a invocare la fisica quantistica per spiegarlo. Questa nozione è sempre stata accolta con scetticismo, il che non sorprende: non sembra saggio spiegare un mistero con un altro. Ma tali idee non sono ovviamente assurde e nemmeno arbitrarie.

Per prima cosa, la mente sembrava, con grande disagio dei fisici, farsi strada nella prima teoria dei quanti. Inoltre, si prevede che i computer quantistici saranno in grado di realizzare cose che i normali computer non possono, il che ci ricorda come il nostro cervello possa ottenere cose che sono ancora al di là dell’intelligenza artificiale. La “coscienza quantistica” è ampiamente derisa come corteggiamento mistico, ma semplicemente non se ne andrà.

La meccanica quantistica è la migliore teoria che abbiamo per descrivere il mondo a livello di atomi e particelle subatomiche. Forse il più famoso dei suoi misteri è il fatto che l’esito di un esperimento quantistico può cambiare a seconda che scegliamo o meno di misurare alcune proprietà delle particelle coinvolte.

Quando questo “effetto osservatore” fu notato per la prima volta dai primi pionieri della teoria quantistica, furono profondamente turbati. Sembrava minare l’assunto di base dietro tutta la scienza: che c’è un mondo oggettivo là fuori, indipendentemente da noi. Se il modo in cui il mondo si comporta dipende da come – o se – lo guardiamo, cosa può significare veramente “realtà”?

La più famosa intrusione della mente nella meccanica quantistica arriva nell'”esperimento della doppia fenditura”

Alcuni di quei ricercatori si sono sentiti costretti a concludere che l’obiettività era un’illusione e che alla coscienza doveva essere concesso un ruolo attivo nella teoria dei quanti. Per altri non aveva senso. Sicuramente, si lamentò Albert Einstein, la Luna non esiste solo quando la guardiamo!

Oggi alcuni fisici sospettano che, indipendentemente dal fatto che la coscienza influenzi o meno la meccanica quantistica, potrebbe in effetti sorgere a causa di essa. Pensano che la teoria quantistica potrebbe essere necessaria per comprendere appieno come funziona il cervello.

Potrebbe essere che, proprio come gli oggetti quantistici possono apparentemente trovarsi in due posti contemporaneamente, così un cervello quantistico può trattenere contemporaneamente due idee che si escludono a vicenda?

Queste idee sono speculative e potrebbe risultare che la fisica quantistica non ha un ruolo fondamentale né per la realtà né nel funzionamento della mente. Ma se non altro, queste possibilità mostrano quanto stranamente la teoria quantistica ci costringa a pensare.

La più famosa intrusione della mente nella meccanica quantistica arriva nell'”esperimento della doppia fenditura“. Immagina di puntare un raggio di luce su uno schermo che contiene due fessure parallele ravvicinate. Parte della luce passa attraverso le fessure, dopo di che colpisce un altro schermo.

La luce può essere pensata come una specie di onda, e quando le onde emergono da due fenditure come questa possono interferire l’una con l’altra. Se i loro picchi coincidono, si rafforzano a vicenda, mentre se un picco e un minimo coincidono, si annullano. Questa interferenza d’onda è chiamata diffrazione e produce una serie di strisce alternate luminose e scure sullo schermo posteriore, dove le onde luminose sono rinforzate o annullate.

L’implicazione sembra essere che ogni particella passi simultaneamente attraverso entrambe le fenditure

Questo esperimento è stato inteso come una caratteristica del comportamento delle onde oltre 200 anni fa, molto prima che esistesse la teoria quantistica.

L’esperimento della doppia fenditura può essere eseguito anche con particelle quantistiche come gli elettroni; minuscole particelle cariche che sono componenti degli atomi. In una svolta controintuitiva, queste particelle possono comportarsi come onde. Ciò significa che possono subire diffrazione quando un flusso di essi passa attraverso le due fenditure, producendo uno schema di interferenza.

Supponiamo ora che le particelle quantistiche vengano inviate una per una attraverso le fenditure, e che anche il loro arrivo allo schermo venga visto uno per uno. Ora apparentemente non c’è nulla con cui ogni particella possa interferire lungo il suo percorso, tuttavia lo schema degli impatti delle particelle che si accumula nel tempo rivela bande di interferenza.

L’implicazione sembra essere che ogni particella passa simultaneamente attraverso entrambe le fenditure e interferisce con se stessa. Questa combinazione di “entrambi i percorsi contemporaneamente” è nota come stato di sovrapposizione.

Ma ecco la cosa davvero strana.

L’esperimento della doppia fenditura (Credit: GIPhotoStock/Science Photo Library)

Se posizioniamo un rivelatore all’interno o appena dietro una fenditura, possiamo scoprire se una determinata particella la attraversa o meno. In tal caso, tuttavia, l’interferenza svanisce. Semplicemente osservando il percorso di una particella – anche se quell’osservazione non dovrebbe disturbare il movimento della particella – cambiamo il risultato.

Il fisico Pascual Jordan, che ha lavorato con il guru quantistico Niels Bohr a Copenhagen negli anni ’20, ha detto così: “le osservazioni non solo disturbano ciò che deve essere misurato, ma lo producono… Costringiamo [una particella quantistica] ad assumere una posizione definita“.

In altre parole, ha detto Jordan, “produciamo noi stessi i risultati delle misurazioni“.

Se è così, la realtà oggettiva sembra uscire dalla finestra.

E diventa ancora più strano.

Le particelle possono trovarsi in due stati (Credit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library)

Se la natura sembra cambiare il suo comportamento a seconda che “guardiamo” o meno, potremmo provare a indurla a mostrare la sua mano. Per fare ciò, potremmo misurare quale percorso ha preso una particella attraverso le doppie fenditure, ma solo dopo che è passato attraverso di esse. A quel punto, la particella dovrebbe avere già deciso se prendere una strada o entrambe.

Il semplice atto di notare, piuttosto che qualsiasi disturbo fisico causato dalla misurazione, può causare il collasso

Un esperimento per fare ciò fu proposto negli anni ’70 dal fisico americano John Wheeler e questo esperimento di “scelta ritardata” fu eseguito nel decennio successivo. Utilizzava tecniche intelligenti per effettuare misurazioni sui percorsi delle particelle quantistiche (generalmente, particelle di luce, chiamate fotoni) dopo che avrebbero dovuto scegliere se prendere un percorso o una sovrapposizione di due.

Si scopre che, proprio come Bohr aveva predetto con sicurezza, non fa differenza se ritardiamo o meno la misurazione. Finché misuriamo il percorso del fotone prima che il suo arrivo a un rivelatore sia finalmente registrato, perdiamo tutte le interferenze.

È come se la natura “sapesse” non solo se stiamo cercando, ma se abbiamo intenzione di guardare.

È difficile evitare l’implicazione che la coscienza e la meccanica quantistica siano in qualche modo collegate

Questa possibilità fu ammessa negli anni ’30 dal fisico ungherese Eugene Wigner. “Ne consegue che la descrizione quantistica degli oggetti è influenzata dalle impressioni che entrano nella mia coscienza“, ha scritto. “Il solipsismo può essere logicamente coerente con l’attuale meccanica quantistica“.

Wheeler ha anche intrattenuto il pensiero che la presenza di esseri viventi, che sono in grado di “notare”, ha trasformato quella che prima era una moltitudine di possibili passati quantistici in una storia concreta. In questo senso, ha detto Wheeler, diventiamo partecipanti all’evoluzione dell’Universo fin dal suo inizio. Nelle sue parole, viviamo in un “universo partecipativo”.

Fino ad oggi, i fisici non sono d’accordo sul modo migliore per interpretare questi esperimenti quantistici, e in una certa misura ciò che ne fai dipende (al momento) da te. Ma in un modo o nell’altro, è difficile evitare l’implicazione che la coscienza e la meccanica quantistica siano in qualche modo collegate.

A partire dagli anni ’80, il fisico britannico Roger Penrose suggerì che il collegamento potesse funzionare nella direzione opposta. Che la coscienza possa influenzare o meno la meccanica quantistica, ha detto, forse la meccanica quantistica è coinvolta nella coscienza.

E se, chiedeva Penrose, ci fossero strutture molecolari nel nostro cervello in grado di alterare il loro stato in risposta a un singolo evento quantistico? Queste strutture non potrebbero quindi adottare uno stato di sovrapposizione, proprio come le particelle nell’esperimento della doppia fenditura? E queste sovrapposizioni quantistiche potrebbero poi manifestarsi nei modi in cui i neuroni vengono attivati ​​per comunicare tramite segnali elettrici?

Forse, dice Penrose, la nostra capacità di sostenere stati mentali apparentemente incompatibili non è un capriccio della percezione, ma un vero effetto quantistico.

Forse la meccanica quantistica è coinvolta nella coscienza

Dopotutto, il cervello umano sembra in grado di gestire processi cognitivi che ancora superano di gran lunga le capacità dei computer digitali. Forse possiamo anche svolgere compiti computazionali impossibili sui normali computer, che utilizzano la classica logica digitale.

Penrose ha proposto per la prima volta che gli effetti quantistici siano presenti nella cognizione umana nel suo libro del 1989 The Emperor’s New Mind. L’idea si chiama Orch-OR, che è l’abbreviazione di “riduzione oggettiva orchestrata“. La frase “riduzione oggettiva” significa che, come crede Penrose, il collasso dell’interferenza e della sovrapposizione quantistica è un vero processo fisico, come lo scoppio di una bolla.

Orch-OR si basa sul suggerimento di Penrose secondo cui la gravità è responsabile del fatto che gli oggetti di uso quotidiano, come sedie e pianeti, non mostrano effetti quantistici. Penrose crede che le sovrapposizioni quantistiche diventino impossibili per oggetti molto più grandi degli atomi, perché i loro effetti gravitazionali costringerebbero quindi due versioni incompatibili dello spazio-tempo a coesistere.

Penrose sviluppò ulteriormente questa idea con il medico americano Stuart Hameroff. Nel suo libro del 1994 Shadows of the Mind, ha suggerito che le strutture coinvolte in questa cognizione quantistica potrebbero essere filamenti proteici chiamati microtubuli. Questi si trovano nella maggior parte delle nostre cellule, compresi i neuroni del nostro cervello. Penrose e Hameroff sostengono che le vibrazioni dei microtubuli possono adottare una sovrapposizione quantistica.

Ma non ci sono prove che una cosa del genere sia lontanamente fattibile.

Microtubuli all’interno di una cellula (Credit: Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library)

È stato suggerito che l’idea delle sovrapposizioni quantistiche nei microtubuli sia supportata da esperimenti descritti nel 2013, ma in realtà quegli studi non hanno fatto menzione degli effetti quantistici.

Inoltre, la maggior parte dei ricercatori pensa che l’idea di Orch-OR sia stata esclusa da uno studio pubblicato nel 2000. Il fisico Max Tegmark ha calcolato che le sovrapposizioni quantistiche delle molecole coinvolte nella segnalazione neurale non potevano sopravvivere nemmeno per una frazione del tempo necessario affinché un tale segnale arrivasse da qualche parte.

Altri ricercatori hanno trovato prove di effetti quantistici negli esseri viventi

Gli effetti quantistici come la sovrapposizione sono facilmente distrutti, a causa di un processo chiamato decoerenza. Ciò è causato dalle interazioni di un oggetto quantistico con l’ambiente circostante, attraverso il quale la “quantità” fuoriesce.

La decoerenza dovrebbe essere estremamente rapida in ambienti caldi e umidi come le cellule viventi.

I segnali nervosi sono impulsi elettrici, causati dal passaggio di atomi caricati elettricamente attraverso le pareti delle cellule nervose. Se uno di questi atomi si trovava in una sovrapposizione e poi si scontrava con un neurone, Tegmark ha mostrato che la sovrapposizione dovrebbe decadere in meno di un miliardesimo di secondo. Ci vuole almeno diecimila trilioni di volte più tempo perché un neurone emetta un segnale.

Di conseguenza, le idee sugli effetti quantistici nel cervello sono viste con grande scetticismo.

Tuttavia, Penrose è indifferente a tali argomenti e sostiene l’ipotesi Orch-OR. E nonostante la previsione di Tegmark sulla decoerenza ultraveloce nelle cellule, altri ricercatori hanno trovato prove di effetti quantistici negli esseri viventi. Alcuni sostengono che la meccanica quantistica sia sfruttata dagli uccelli migratori che usano la navigazione magnetica e dalle piante verdi quando usano la luce solare per produrre zuccheri nella fotosintesi.

Inoltre, l’idea che il cervello possa impiegare trucchi quantistici non mostra alcun segno di voler scomparire. Perché ora c’è un altro argomento, completamente diverso.

In uno studio pubblicato nel 2015, il fisico Matthew Fisher, dell’Università della California a Santa Barbara, ha sostenuto che il cervello potrebbe contenere molecole in grado di sostenere sovrapposizioni quantistiche più robuste. Nello specifico, pensa che i nuclei degli atomi di fosforo possano avere questa capacità.

Gli atomi di fosforo sono ovunque nelle cellule viventi. Spesso assumono la forma di ioni fosfato, in cui un atomo di fosforo si unisce a quattro atomi di ossigeno.

Tali ioni sono l’unità di base dell’energia all’interno delle cellule. Gran parte dell’energia della cellula è immagazzinata in molecole chiamate ATP, che contengono una stringa di tre gruppi fosfato uniti a una molecola organica. Quando uno dei fosfati viene eliminato, l’energia viene rilasciata per essere utilizzata dalla cellula.

Le cellule hanno macchinari molecolari per assemblare ioni fosfato in gruppi e separarli di nuovo. Fisher ha suggerito uno schema in cui due ioni fosfato potrebbero essere collocati in un tipo speciale di sovrapposizione chiamato “stato entangled“.

Gli spin di fosforo potrebbero resistere alla decoerenza per un giorno o due, anche nelle cellule viventi

I nuclei di fosforo hanno una proprietà quantistica chiamata spin, che li rende simili a piccoli magneti con poli che puntano in particolari direzioni. In uno stato entangled, lo spin di un nucleo di fosforo dipende da quello dell’altro.

In altre parole, gli stati entangled sono in realtà stati di sovrapposizione che coinvolgono più di una particella quantistica.

Fisher afferma che il comportamento quantomeccanico di questi spin nucleari potrebbe plausibilmente resistere alla decoerenza sulle scale temporali umane. È d’accordo con Tegmark che le vibrazioni quantistiche, come quelle postulate da Penrose e Hameroff, saranno fortemente influenzate dall’ambiente circostante “e decoreranno quasi immediatamente“. Ma gli spin nucleari non interagiscono molto fortemente con l’ambiente circostante.

Tuttavia, il comportamento quantistico negli spin nucleari del fosforo dovrebbe essere “protetto” dalla decoerenza.

Le particelle quantistiche possono avere spin diversi (Credit: Richard Kail/Science Photo Library)

Questo potrebbe accadere, dice Fisher, se gli atomi di fosforo vengono incorporati in oggetti più grandi chiamati “molecole di Posner“. Questi sono gruppi di sei ioni fosfato, combinati con nove ioni calcio. Ci sono alcune prove che possono esistere nelle cellule viventi, anche se questo è attualmente tutt’altro che conclusivo.

Ho deciso… di esplorare come mai gli ioni di litio potrebbero avere un effetto così drammatico nel trattamento delle condizioni mentali

Nelle molecole di Posner, sostiene Fisher, gli spin di fosforo potrebbero resistere alla decoerenza per un giorno circa, anche nelle cellule viventi. Ciò significa che potrebbero influenzare il funzionamento del cervello.

L’idea è che le molecole di Posner possano essere inghiottite dai neuroni. Una volta all’interno, le molecole di Posner potrebbero innescare l’emissione di un segnale verso un altro neurone, sfaldandosi e rilasciando i loro ioni calcio.

A causa dell’entanglement nelle molecole di Posner, due di questi segnali potrebbero a loro volta diventare entangled: una sorta di sovrapposizione quantistica di un “pensiero”, si potrebbe dire. “Se l’elaborazione quantistica con spin nucleari fosse effettivamente presente nel cervello, sarebbe un evento estremamente comune, che accade praticamente tutto il tempo“, afferma Fisher.

Ha avuto questa idea per la prima volta quando ha iniziato a pensare alla malattia mentale.

“Il mio ingresso nella biochimica del cervello è iniziato quando ho deciso, tre o quattro anni fa, di esplorare come mai lo ione di litio potesse avere un effetto così drammatico nel trattamento delle condizioni mentali“, afferma Fisher.

A questo punto, la proposta di Fisher non è altro che un’idea intrigante

I farmaci al litio sono ampiamente utilizzati per il trattamento del disturbo bipolare. Funzionano, ma nessuno sa davvero come.

“Non stavo cercando una spiegazione quantistica“, dice Fisher. Ma poi si è imbattuto in un articolo che riportava che i farmaci al litio avevano effetti diversi sul comportamento dei ratti, a seconda della forma – o “isotopo” – di litio utilizzata.

A prima vista, era estremamente sconcertante. In termini chimici, i diversi isotopi si comportano in modo quasi identico, quindi se il litio funzionasse come un farmaco convenzionale, gli isotopi dovrebbero avere tutti lo stesso effetto.

Ma Fisher si rese conto che i nuclei degli atomi di diversi isotopi di litio possono avere spin diversi. Questa proprietà quantistica potrebbe influenzare il modo in cui agiscono i farmaci al litio. Ad esempio, se il litio sostituisce il calcio nelle molecole di Posner, gli spin del litio potrebbero “sentire” e influenzare quelli degli atomi di fosforo, e quindi interferire con il loro entanglement.

Non sappiamo nemmeno cosa sia la coscienza

Se questo è vero, aiuterebbe a spiegare perché il litio può trattare il disturbo bipolare.

A questo punto, la proposta di Fisher non è altro che un’idea intrigante. Ma ci sono diversi modi in cui può essere testata la sua plausibilità, a partire dall’idea che gli spin del fosforo nelle molecole di Posner possono mantenere la loro coerenza quantistica per lunghi periodi. Questo è ciò che Fisher intende fare.

Tuttavia, è diffidente nell’essere associato alle idee precedenti sulla “coscienza quantistica”, che considera nella migliore delle ipotesi altamente speculative.

I fisici non sono molto a loro agio nel ritrovarsi all’interno delle loro teorie. La maggior parte spera che la coscienza e il cervello possano essere tenuti fuori dalla teoria quantistica, e forse viceversa. Dopotutto, non sappiamo nemmeno cosa sia la coscienza, per non parlare di una teoria per descriverla.

Sappiamo tutti com’è il rosso, ma non abbiamo modo di comunicare la sensazione

Non aiuta che ora ci sia un’industria artigianale New Age dedicata alle nozioni di “coscienza quantistica”, che sostiene che la meccanica quantistica offre motivazioni plausibili per cose come la telepatia e la telecinesi.

Di conseguenza, i fisici sono spesso imbarazzati anche solo a menzionare le parole “quantum” e “coscienza” nella stessa frase.

Ma a parte questo, l’idea ha una lunga storia. Da quando “l’effetto osservatore” e la mente si sono insinuati per la prima volta nella teoria quantistica nei primi giorni, è stato diabolicamente difficile cacciarli fuori. Alcuni ricercatori pensano che potremmo non riuscire mai a farlo.

Nel 2016, Adrian Kent dell’Università di Cambridge nel Regno Unito, uno dei “filosofi quantistici” più rispettati, ha ipotizzato che la coscienza potesse alterare il comportamento dei sistemi quantistici in modi sottili ma rilevabili.

Kent è molto cauto su questa idea. “Non c’è una ragione di principio convincente per credere che la teoria quantistica sia la teoria giusta in cui cercare di formulare una teoria della coscienza, o che i problemi della teoria quantistica debbano avere qualcosa a che fare con il problema della coscienza“, ammette.

Ogni linea di pensiero sulla relazione della coscienza con la fisica va incontro a grossi guai

Ma dice che è difficile vedere come una descrizione della coscienza basata esclusivamente sulla fisica pre-quantistica possa spiegare tutte le caratteristiche che sembra avere.

Una domanda particolarmente sconcertante è come la nostra mente cosciente possa provare sensazioni uniche, come il colore rosso o l’odore della pancetta fritta. Ad eccezione delle persone con disabilità visive, sappiamo tutti com’è il rosso, ma non abbiamo modo di comunicare la sensazione e non c’è nulla in fisica che ci dica come dovrebbe essere.

Sensazioni come questa sono chiamate “qualia“. Le percepiamo come proprietà unificate del mondo esterno, ma in realtà sono prodotti della nostra coscienza – e questo è difficile da spiegare. Infatti, nel 1995 il filosofo David Chalmers lo ha soprannominato “il difficile problema” della coscienza.

“Ogni linea di pensiero sul rapporto tra coscienza e fisica va incontro a grossi guai“, afferma Kent.

Ciò lo ha spinto a suggerire che “potremmo fare qualche progresso nella comprensione del problema dell’evoluzione della coscienza se supponessimo che le coscienze alterano (anche se forse in modo molto lieve e sottile) le probabilità quantistiche“.

La “coscienza quantistica” è ampiamente derisa come corteggiamento mistico, ma semplicemente non se ne andrà

In altre parole, la mente potrebbe realmente influenzare i risultati delle misurazioni.

In questa prospettiva, non determina esattamente “ciò che è reale“. Ma potrebbe influenzare la possibilità che ciascuna delle possibili realtà consentite dalla meccanica quantistica sia quella che di fatto osserviamo, in un modo che la stessa teoria quantistica non può prevedere. Kent dice che potremmo cercare tali effetti sperimentalmente.

Stima anche coraggiosamente le possibilità di trovarli. “Darei credito forse al 15% che qualcosa che ha a che fare specificamente con la coscienza provochi deviazioni dalla teoria quantistica, con forse il 3% di credito che questo sarà rilevabile sperimentalmente entro i prossimi 50 anni“, dice.

Se ciò accadrà, trasformerà le nostre idee sia sulla fisica che sulla mente. Sembra un’opportunità che vale la pena esplorare.